二維水質(zhì)擴(kuò)散時(shí)空模擬及可視化在鄖西天河中的應(yīng)用研究

賀磊　劉梅群　羅旖旎　張東

摘? 要：基于主流三維水動(dòng)力-水質(zhì)模型系統(tǒng)Delft3D對(duì)鄖西天河主要污染指標(biāo)氨氮、高錳酸鹽指數(shù)進(jìn)行二維水質(zhì)擴(kuò)散時(shí)空模擬及可視化研究，通過(guò)對(duì)比實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證合理性，為丹江口水庫(kù)重要入庫(kù)支流天河突發(fā)水污染情況提供思路。

關(guān)鍵詞：水環(huán)境;軟件模型;可視化;GIS;空間分析

前言

隨著近年來(lái)環(huán)境保護(hù)力度的不斷加強(qiáng)以及群眾對(duì)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的愈發(fā)關(guān)注，面對(duì)可能發(fā)生的水污染事故，如污水處理廠非正常工況排污、污染源泄露等，常規(guī)的水質(zhì)擴(kuò)散模型因計(jì)算較為復(fù)雜、選取參數(shù)眾多、可視化程度不高、表現(xiàn)不夠直觀，在事故發(fā)生中往往需要較長(zhǎng)時(shí)間響應(yīng)，同時(shí)在面對(duì)復(fù)雜工況下，如支流匯入影響、淺灘、擋水工程、多點(diǎn)擴(kuò)散等情況，較難進(jìn)行綜合分析。通過(guò)將水質(zhì)模型與GIS結(jié)合，能夠快速、直觀的對(duì)水體污染物擴(kuò)散、遷移情況進(jìn)行預(yù)測(cè)和可視化輸出，為下一步?jīng)Q策提供理論參考。本文通過(guò)選取丹江口水庫(kù)重要入庫(kù)支流天河為研究對(duì)象，假定天河中游城市區(qū)排污斷面賈家坊為污染源輸入斷面，對(duì)天河進(jìn)行二維水質(zhì)擴(kuò)散時(shí)空模擬及可視化研究，并結(jié)合近六年水質(zhì)實(shí)測(cè)情況進(jìn)行分析對(duì)比，驗(yàn)證合理性，為今后天河突發(fā)水污染情況提供思路。

1 河流常用模型及適用范圍

1.1 河流一維模型

一維水質(zhì)模型主要研究對(duì)象為污染物的濃度在各個(gè)斷面上隨時(shí)間的變化的情況[1]，對(duì)于流量小于150m3/S，污染物在橫斷面上均勻混合的中、小型河段，可采用河流一維模型進(jìn)行擴(kuò)散、遷移分析。計(jì)算公式為：

式（1）中，C為預(yù)測(cè)點(diǎn)x處污染物預(yù)測(cè)濃度，mg/L;C0為初始點(diǎn)污染物濃度，mg/L;K為污染物的衰減系數(shù)，1/d;x為預(yù)測(cè)點(diǎn)離排放點(diǎn)的距離，m;u為設(shè)計(jì)流速，m/s;Cp為排放的廢污水污染物濃度，mg/L;Qp為廢污水排放流量，m3/s;Ch為排污口斷面自然背景值，mg/L;Qh：河流流量，m3/s。

1.2 河流二維模型

對(duì)于流量大于150m3/S，且污染物在河段橫斷面上非均勻混合的大型河段，即存在縱向、橫向的顯著差異，此時(shí)一維模型不能滿足需要，需采用二維模型進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于順直河段，忽略橫向流速及縱向離散作用，不考慮污染物排放隨時(shí)間的變化[2]，二維對(duì)流擴(kuò)散公式為：

式（2）中，C為污染物預(yù)測(cè)濃度，mg/L;x為預(yù)測(cè)點(diǎn)離排放點(diǎn)的距離，m;u為設(shè)計(jì)流速，m/s;Ey為污染物的橫向擴(kuò)散系數(shù)，m2/s;y為計(jì)算點(diǎn)到岸邊的橫向距離，m。

1.3 小結(jié)

河流一維模型在應(yīng)用中偏于理想化，但采用二維模型計(jì)算分析也面臨計(jì)算工作量大的問(wèn)題，通常需要借助專業(yè)計(jì)算軟件進(jìn)行。

2 軟件可視化模型的建立

Delft3D是目前世界上應(yīng)用廣泛的三維水動(dòng)力-水質(zhì)模型系統(tǒng)，其在水流、水動(dòng)力、水質(zhì)等方面的具有強(qiáng)大的計(jì)算能力。計(jì)算過(guò)程遵循現(xiàn)有物理運(yùn)行規(guī)律，采用網(wǎng)格化的方式，降低了運(yùn)算難度的同時(shí)提高了運(yùn)算速度。同時(shí)系統(tǒng)能與GIS軟件對(duì)接，有強(qiáng)大的前后處理功能，通過(guò)結(jié)合Matlab環(huán)境組件，將結(jié)果進(jìn)行可視化輸出。

2.1 模擬排污點(diǎn)的確定

天河上游保護(hù)區(qū)、中游城市區(qū)、下游恢復(fù)區(qū)分別設(shè)有天河水庫(kù)、賈家坊、觀音三個(gè)斷面，三個(gè)斷面均擁有近六年的水質(zhì)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)賈家坊斷面設(shè)有國(guó)家基本水文站，擁有近五十年水位、流量、降雨、蒸發(fā)等水文監(jiān)測(cè)資料，斷面位置位于鄖西城區(qū)排污口下游。通過(guò)假定賈家坊斷面為天河污染源輸入斷面，利用軟件模擬污染物擴(kuò)散、遷移至觀音斷面的情況，模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證其合理性。

2.2 河流邊界的繪制及網(wǎng)格的生成

網(wǎng)格可以將連續(xù)的空間離散化，利用GIS繪制河流邊界，將結(jié)果輸入至Ddlft3D-RGFGRID中進(jìn)行河道輪廓控制線Splines的繪制及網(wǎng)格生成。在繪制Splines的過(guò)程中應(yīng)遵守河流基本走向，從上游至下游進(jìn)行繪制。

2.3 邊界條件的設(shè)定

根據(jù)實(shí)際情況對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行開(kāi)邊界，并設(shè)置基本參數(shù)。河流的邊界條件主要為入流斷面、出流斷面的流量、流速、水位、污染物背景濃度等，本文主要依據(jù)天河歷史水文流量監(jiān)測(cè)資料、天河水庫(kù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料來(lái)確定流量、污染物背景濃度值。根據(jù)歷史監(jiān)測(cè)資料計(jì)算，背景斷面天河水庫(kù)氨氮、高錳酸鹽指數(shù)濃度取值分別為0.086 mg/L、1.90 mg/L。不考慮降雨、蒸發(fā)、支流匯入造成的影響，入流斷面水流參數(shù)按照實(shí)測(cè)逐月平均流量輸入，出流斷面水流參數(shù)按照平均流速0.205 m/s設(shè)置;入流斷面污染物傳輸濃度按照賈家坊2015年～2020年月度實(shí)測(cè)值進(jìn)行輸入，出流斷面污染物傳輸濃度按照背景值設(shè)置。

2.4 污染物排放點(diǎn)及影響因素的確定

結(jié)合天河實(shí)際情況，將斷面賈家坊擬定為污染排放點(diǎn)，考慮污染物的自然衰減，通過(guò)查詢相關(guān)資料，確定天河主要污染物綜合衰減系數(shù)氨氮為0.100 1/d[3]、高錳酸鹽指數(shù)為0.025 1/d[4、5]。

2.5 模擬時(shí)間段及模型參數(shù)的確定

模擬數(shù)據(jù)最終需對(duì)比實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，因此本文模擬時(shí)間段范圍為2015年1月1日至2020年12月28日，軟件模擬步長(zhǎng)3 min。軟件模擬采用固定地形，平均水深為1m。其他參數(shù)設(shè)定見(jiàn)下表2.5.1。

2.6 模擬數(shù)據(jù)及可視化輸出

按照上述參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行軟件模擬并進(jìn)行可視化輸出，將濃度同顏色進(jìn)行對(duì)應(yīng)，紅色為設(shè)定上限值（危險(xiǎn)值），可視化輸出示意圖見(jiàn)圖2.6.1。

3 模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析對(duì)比

2015年1月至2020年12月觀音斷面共計(jì)70次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（2020年2月、2020年3月因疫情原因缺少監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)），數(shù)據(jù)結(jié)果顯示氨氮與高錳酸鹽指數(shù)模擬值與預(yù)測(cè)值相關(guān)性明顯，其中相對(duì)偏差在30%以內(nèi)的值氨氮有30個(gè)、高錳酸鹽指數(shù)有67個(gè)，分別占對(duì)比總數(shù)的42.9%、95.7%;相對(duì)偏差在20%以內(nèi)的值氨氮有22個(gè)、高錳酸鹽指數(shù)有55個(gè)，分別占對(duì)比總數(shù)的31.4%、78.6%;相對(duì)偏差在10%以內(nèi)的值氨氮有17個(gè)、高錳酸鹽指數(shù)有22個(gè)，分別占對(duì)比總數(shù)的24.3%、31.4%。

4 結(jié)論

通過(guò)軟件模擬值與實(shí)測(cè)值比較，發(fā)現(xiàn)其具有明顯的相關(guān)性，其中高錳酸鹽指數(shù)相關(guān)性優(yōu)于氨氮。對(duì)于偏離的數(shù)據(jù)，由于軟件模擬采用二維模型演算，缺少地形高程變化，污染物衰減系數(shù)也采用的參考值，加之演算模擬過(guò)程相對(duì)封閉，未考慮支流匯入、河岸點(diǎn)源污染、降雨、蒸發(fā)等因素，可能是造成軟件模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)偏離的主要原因。相信在完善參數(shù)條件設(shè)定后，軟件模擬的準(zhǔn)確度能進(jìn)一步提升。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：賀磊（1986～ ），男，漢族，湖北十堰人，本科學(xué)歷，助理工程師，主要從事水環(huán)境監(jiān)測(cè)工作。